风振及风振控制涡振优秀课件

4.45 5
• 3 近垂直桥轴SW75 ° 20.03 114.3
• 4 近桥轴
31.15 30
• 否定“斜风导致实际开孔率下降导致振动”的假定
• 1950.6.6 西风 风速20.03~24.92m/s 振幅 114.3cm
• 短时反对称一次扭转振动出现
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1.3.2金门桥主梁涡振
• 1951.12.1 • 西风 风速 30.08m/s 振幅 335cm • 南希·肯特小姐的故事 • 下午和朋友乘车过桥，经过南塔后遭遇强风 • 左打右转方向，汽车倒退不前，桥上已看不见其他车
辆 • 想起了Tacoma桥，当车开过北塔到达北岸 • 看到了等候过桥的长长的车队 • 金门桥开通14年来，首次封闭交通2小时50分
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1.3.3 大海带桥涡振
Drag coefficient Critical wind speed
Vortex induced response
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0.6 0.4 0.2
7
1.2.2 圆柱涡激振动特点（与Re有关）
• 亚临界范围（3.0×102<Re<3.0×105)，旋涡 以一个明确的频率周期性地脱落
• 在临界范围（3.0×105≤Re<3.5×106)，旋涡 被紊流所掩盖，涡脱杂乱无章
• 在超临界范围（3.5×106<Re)，涡重新建立， 涡脱重新出现周期性
• 不同雷诺数情况下的绕流形态不同，因而 8
二、风致振动
1.涡激振动 2.颤振 3.驰振 4.抖振
1
1.涡激振动
1.1 卡门涡旋 1.2 涡激振动 1.3 涡振特性 1.4 涡振估算 1.5涡振的控制措施
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1.1 卡门涡街
1.1.1 卡门涡街
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在一定条件下的定常来流绕过某些物体 时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过 非线性作用后，形成卡门涡街
Prandtl 1875-1953）教授。 • 第一次世界大战期间，冯·卡门应召为奥匈帝国服务4年。战后曾任匈
牙利苏维埃共和国教育部大学副部长。 • 后他又回到德国亚琛工学院任教，担任亚琛空气动力学研究所所长。 • 1929年底起定居美国,任加州理工学院古根海姆空气动力学实验室主任。 • 后来建立了美国火箭技术中心——喷气推进实验室
• 在锁定区内，涡脱频率不再服从Strouhal 11
1）Strouhal数的影响因素
截面形状 雷诺数(对于
钝体断面,影 响比较小)
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2）圆柱的Strouhal数
St = 0.2
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14
15
1.2.4 易发生涡激振动构件
1）主梁（西堠门） 2）桥塔（钢桥塔） 3）吊杆（系杆拱吊杆，H型）
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1.3 涡激振特点
• 是一种较低风速区发生的有限振幅振动 • 只在某一风速区域内发生 • 最大振幅对阻尼有很大的依赖性 • 断面形状的微小变化对响应很敏感 • 涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激 17
1.3.1 主梁涡振实例
成 桥 后 的 振 动 实 例
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1.3.1 主梁涡振实例
成桥后的振动实例
1.2.1 涡激振动
•
风流经钝体结构时会在结构的两侧产生不对称的旋涡
脱落，使结构表面受到周期性的正负压力，在一定风速下
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
结构所受合力的频率与结构的自振频率一致，此时结构发
生涡激共振。
• 涡激振动是一种简谐振动，其振动形式通常表现为横
风向振动或扭转振动。
• 结构振幅较大时，结构的运动对气体的绕流形态产生反馈 作用，使旋涡脱落频率在一定风速范围内和结构固有振动
Event no. / (frequency)
4, 10 (0.130 Hz) 1, 2, 3, 5, 9 (0.209 Hz)
6, 7, 8 (0.242 Hz)
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1.3.2金门桥主梁涡振
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1.3.2金门桥主梁涡振
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1.3.2金门桥主梁涡振
• 1938.2 强烈西风 行走困难 桥梁摇晃
•
未作观测 渐渐忘却（Tacoma垮桥）
• 1941.2.1 瞬时风速27m/s 持续3小时
•
水平攻角 45°风攻角 0°
•
横向变位1.5m 竖向频率 0.125Hz
1.2.2 圆柱涡激振动
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1.2.3 Strouhal数及“锁定” 现象
St
fd U
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• 当被绕流的物体不是固定不动的，而是 一个振动体系时，周期性涡激力将引起 体系的涡激共振，结构的振动对旋涡的 脱落产生一种反馈作用，使旋涡脱落频 率在一定的风速范围内被“俘获”，即 在该风速范围内物体的固有频率控制了 涡脱的频率，从而产生了一种“锁定” 现象。
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1.1.2 冯 ·卡门
• 作为德国亚琛工学院空气动力学研究所和美国加州理工学院古根海姆 空气动力学实验室的领导，带领了两代科学家和工程师进入了科学技 术的前沿领域，为航空和航天工程奠定了坚实的科学基础。冯·卡门培 育出了大批杰出的人才,他的学生遍及五大洲，被誉称为“卡门科班”。
6
1.2 涡激振动
0
14.5
14.6
14.7
14.8
14.9
15
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
Sec. 122 0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
14.5
14.6
14.7
14.8
14.9
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15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
Time [min]
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1.3.3 大海带桥涡振
Mode shape
•
最大弯曲位置 L/4 振幅 60cm
•
无扭转振动记录
• 原因 Tacoma桥 板梁 桁架化 抗风措施
•
金门桥 桁架开孔率>25﹪
•
斜风导致实际开孔率下降？
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1.3.2金门桥主梁涡振
• 桥轴方向 序号 风向 风速m/s 振幅cm
• NW10° 1 近桥轴SW12 ° 22.25 5
• 2 近垂直桥轴W
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1.1.1 卡门涡街
• 卡门涡街视频 • 桥梁断面
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1.1.2 冯 ·卡门
• 冯·卡门（Theodore von Kármán １８８１—１９６３）是美藉匈牙利 裔力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟 长、郭永怀，以及美藉华人科学家林家翘在美国加州理工学院时的导 师。
• 冯·卡门1881年5月11日出生于匈牙利布达佩斯 • 16岁的冯·卡门在1898年11月进了布达佩斯皇家工学院 • 1906年去德国哥廷根（Göttingen）大学求学，师从普朗特（Ludwig